工业气体的储存、运输与管道输送

2026-01-28

工业气体的生产、储存与运输相关

一、工业气体业务核心特性

在我国,工业气体的生产、储存、陆路运输及管道输送本质上属于区域性业务。气体储存成本高昂,超过数百公里的长途运输成本更是高到难以承受,工业气体的远洋运输在国内几乎不存在。因此,在靠近用气点的位置布局生产装置,整体经济性更佳。

从原料供应来看,空分气体(大气气体)的原料为空气,在国内各地均易获取;合成气及其组分(氢气、一氧化碳)的原料(天然气、液态烃或煤炭),多集中于我国石化生产基地(如长三角、珠三角、环渤海石化产业区)附近,因此合成气在国内也更倾向于现场生产而非异地生产。

储存方面,国内空分气体生产厂有时会配套少量深冷液态储存设施;当液氮、液氧作为商品气销售时,会在客户现场预留储存空间;氢气作为商品气外销时,同样会在客户端储存液氢。这类储存是必要的,因为国内工业气体生产装置多为连续运行模式,而槽车充装或气瓶充装为间歇操作,需通过储存环节平衡供需节奏。

一氧化碳可小批量陆路储运,但该方式在国内并不普及,尤其适用于气体需求量大的石化行业。合成气在国内通常不作为商品气销售,因此无需配套专门的储存设施。

针对氧气、氮气、氢气的小型用户,国内普遍在使用点设置液态储存装置,气体使用前再按需汽化。储液罐多向工业气体供应商租赁,整套储存系统包含储罐、将液态产品转化为气态的汽化器,以及按客户需求调控和输送气体的流量控制系统,且多以成套设备形式租赁给用户,符合国内工业领域“轻资产运营”的常见惯例。

小批量(日用量<10 吨)的空分气体和氢气,国内通常采用气瓶、杜瓦罐或专用槽车运输,也可通过铁路运输,需严格遵循《道路危险货物运输管理规定》《铁路危险货物运输管理规则》等国内法规。其中,气瓶规格多样,容积为 1 ~ 200 升,充装的气体可为高压气态或液化气体;液化气体气瓶采用真空绝热设计,以减少热量渗入、维持介质的液态状态。杜瓦罐容积略大于气瓶,同样为真空绝热结构,容积范围为 5~200 升。半挂车运输的工业气体可为高压气态,也可为带压液态,运输车辆需符合 GB 150 等国内压力容器相关标准。

大批量(日用量>10 吨)的工业气体,国内通常由专用制气装置或管道系统供应。专用制气装置多紧邻客户厂区建设,其产品主要专供该客户使用,在国内工业气体行业通常称为“现场制气装置”(部分客户称之为“场外制气装置”)。

当同一区域内多家客户对气体规格要求相近时,国内工业气体供应商会通过单套制气装置集中生产,并依托管道向多家客户供气。大型管道系统通常有多套制气装置供气,可同时为数十家客户分气。目前,我国长三角、珠三角、环渤海等炼油与石化产业密集区均已配套工业气体管道网络。对于大规模工业气体需求,管道输送是国内成本最低、可靠性最高的供应方式,符合《石油化工企业设计防火标准》(GB 50160)等规范要求。

二、储存系统

2.1 液态储存

小批量销售的工业气体会在生产端液化,储存于深冷储罐,经陆路运输至客户现场后,继续以液态形式储存至使用前;使用时,将液态产品从储罐取出、汽化后送入客户工艺系统。

深冷储存需采用高性能储罐,其产品蒸发损失率可控制在每日<0.1%,需符合我国《低温液体储存设备》相关标准要求。真空绝热双层储罐的核心结构包含两部分:一是盛装液态产品的内罐,二是维持高真空环境的外罐(真空夹套),真空层同时可作为蒸汽屏障,防止水蒸气或空气侵入低温内罐,其原理与日常储存冷饮的保温瓶类似。

内外罐之间的腔体填充绝热材料并抽至高真空状态:小型储罐的腔体仅由双罐镜面壁面和高真空构成,大型深冷储罐则填充粉末状、纤维状或多层绝热材料,同时配备内罐支撑系统。

储罐底部设充排液管线,用于介质的装卸;液态产品可通过内罐充压或液泵两种方式排出;储罐顶部附近设蒸汽放空管线,用于排出热量渗入产生的蒸汽,同时可通入增压气体。若采用充压方式排液,需设置扩散器,使增压气体在气相空间均匀分布,避免高温增压气体在低温液面冷凝,该设计需符合国内压力容器安全设计规范。

深冷储罐可设计为球形或圆柱形,其中圆柱形在国内更为常见,且以碟形、椭圆形或半球形封头的结构经济性**,安装方式可选择卧式或立式。早期深冷储罐多为定制化设计,如今国内工业气体生产商已实现储罐规格标准化。常见的液氧或液氮标准储罐工作压力通常为 1724 千帕,部分储罐可设计至 4309 千帕;操作温度因储存介质而异,范围为 -90℃至 -273.15℃。

储罐容积(升)
储液容积(升)
1893
1703
5678
5110
11356
10220
22712
20441
34069
30662
41639
37475
49208
44287

注:表中为标准规格储罐,更大容积储罐需为特定应用场景定制,目前国内已建成储液量超 75708 升的液化气体储罐。

深冷储罐的装液量为总容积的 90%,预留 10% 气相空间以容纳热量渗入产生的蒸发气体;同时,快速充装可能导致内罐冷却不充分,造成液态介质过量蒸发。上表中储液容积为储罐满液时的实际储液量(已考虑顶部 10% 气相空间)。储罐可用液量为高低液位之间可抽取的介质体积,其数值因储罐几何形状和液位接口位置而异,国内多数储罐的可用液量为实际储液量的 90%~95%。

2.2 汽化

工业气体多以液态储运,但国内多数应用场景需气态产品,因此需通过汽化器实现液-气相变。汽化器为专用换热器,可利用大气、蒸汽或其他便捷热源的热量,加热流经换热器另一侧的液态介质,需符合《换热器和冷凝器 技术条件》(GB/T 151)等国内标准。

深冷储存系统的管路设计通常支持储罐顶部或底部充装,介质从储罐底部经密封段排出,密封段可防止蒸汽回流至罐底。国内常用的汽化器为蛇形翅片管换热器,通过吸收环境空气热量实现低温液态介质的汽化;汽化器下游的温控阀可确保介质完全汽化后再进入客户输送管线;温控阀下游的背压控制器用于维持稳定的供气压力,保障客户工艺系统稳定运行。

系统中的增压盘管用于保障储罐排液时的罐内正压:通常,环境热量渗入储罐可使部分低温液态介质汽化,维持液面上部气相空间的正压;但排液过程中,环境渗热可能不足,导致罐内压力下降,此时排液管线的背压控制器关闭,增压回路的背压控制器开启,储罐底部的液态介质流经增压盘管,利用环境热量汽化后返回储罐顶部,提升罐内压力。

增压回路为热虹吸回路,依靠储罐内低温液态介质与盘管及回流管路中相对高温介质的静压差实现介质流动;当罐内压力升高后,增压回路的背压控制器关闭,减少盘管内介质流量,从而降低蒸汽生成量和罐内压力增幅,确保系统运行安全。

三、运输系统

国内工业气体可通过槽车或铁路罐车陆路运输,需严格遵守《危险化学品安全管理条例》及相关运输规范,具体运输方式根据运量选择:极小批量气体采用气瓶槽车运输;大批量气体通常采用三类罐车,即单罐罐车、多罐罐车和 107A 规格罐车。

单罐罐车:为安装在车轮上的大型真空绝热储罐,**容积为 130628 升,在国内常用于铁路运输液氢,需符合铁路危险货物运输相关安全要求。

多罐罐车:又称吨级多罐单元(TMU),其结构为铁路平车上横向安装最多 15 个无绝热圆柱形压力罐,容积以装水量标定,范围为 5678~9464 升,适用于小批量多品种气体的集中运输。

107A 规格罐车:为平板拖车或铁路平车上安装的管束组,管束无绝热层,常用于运输氩气、氦气、氢气、氮气、氧气等非液化大宗气体;安装在半挂车上时又称管束拖车,在国内通常仅用于陆路运输氢气和氦气。管束通过集管汇流,实现集中充装与排料,可充装 5097 立方米气体,最高压力达 17927 千帕,需定期接受特种设备检测,确保运输安全。

货运罐车为安装在卡车底盘或半挂车底盘上的大容量深冷储罐,**容积为 42772 升,国内常用规格为 26498 升,车上配备高压输液泵,可在无客户现场电源的情况下,为客户 1689 千帕的深冷储罐充装介质。这类挂车在国内常用于运输液氮、液氧、液氩和液氢,是小批量液态工业气体跨区域运输的主要载体。

四、现场制气装置与管道系统

4.1 现场工业气体制气装置

采用槽车运输液化工业气体并在客户现场深冷储存的模式,在国内仅适用于相对小批量的气体供应(通常日用量≤10 吨);当客户对气体有持续大流量需求时,现场制气装置是更经济的供应方式,广泛应用于国内大型炼油、石化企业。

直接为客户工艺供应气态产品的成本,远低于陆路运输液态气体的成本——液态运输需承担生产端液化与储存、运输、客户端储存及汽化的全流程成本;而现场制气仅需承担气体生产及管道输送的成本,符合国内工业领域“降本增效”的发展需求。

每套现场制气装置的配置均会结合国内场地特性、客户工艺需求进行定制,以实现工业气体供应的整体**,但也具备一些共性特征:场地可由工业气体供应商租赁或直接购置;公用工程(如水电、蒸汽)通常由客户供应,因国内炼油厂或石化厂的公用工程用量大,可享受批量折扣,大幅降低整体运行成本;装置设计、建设需符合《石油化工企业设计防火标准》(GB 50160)、《工业气体安全规程》(GB 16912)等国内规范。

4.2 管道系统

为多家客户供气的工业气体管道系统,由服务单一客户的现场制气装置发展而来。国内炼油厂和石化厂多集中于长三角、珠三角、环渤海等工业集聚区,且区内多家装置均需工业气体,通过管道供气具备多重优势:一方面,气体需求量大,可实现规模效应,降低单位气体成本;另一方面,可整合多路气源(包括周边装置的尾气回收气源,契合国内“循环经济”发展理念),提升供气可靠性。因此,对于大规模用气场景,管道输送是国内成本最低、可靠性最高的供应模式。

氧气、氮气、氢气、一氧化碳均可通过国内管道网络供应,不同气体管道的操作压力需符合对应行业标准:氧气管道的最高操作压力可达 2758 千帕;石化和化工行业用氮气管道的操作压力通常为 689.5 千帕,而提高石油采收率用氮气管道的操作压力可达 48263 千帕;氢气和一氧化碳管道的供气压力通常为 689.5~3447 千帕。

在国内工业气体管道合作模式中,通常由工业气体供应商负责:工程设计、采购、施工、开车服务、融资、装置所有权、运维管理、气体生产与输送,需对管道运行安全承担主体责任;客户负责:提供管道及相关装置的建设场地、供应公用工程,配合供应商完成项目落地与运维协调。


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